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Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 1 Circuitos de Comando e Automação - CCA Volume II CCiirrccuuiittooss ee DDiiaaggrraammaass EEllééttrriiccooss Unidade Operacional - Senai “Alvimar Carneiro de Rezende” SENAI-CFP “Alvimar Carneiro de Rezende” Via Sócrates Marianni Bittencourt, 711 – CINCO CONTAGEM – MG – Cep. 32010-010 Tel. 31-3352-2384 – E-mail: cfp-acr@fiemg.com.br Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 2 Curso Técnico de Eletrônica Presidente da FIEMG Robson Braga de Andrade Gestor do SENAI Petrônio Machado Zica Diretor Regional do SENAI e Superintendente de Conhecimento e Tecnologia Alexandre Magno Leão dos Santos Gerente de Educação e Tecnologia Edmar Fernando de Alcântara Digitalizado e Modificado Por: Prof. Sérgio Goulart Alves Pereira Edição 2ª Edição – 1/2005 Unidade Operacional Centro de Formação profissional “Alvimar Carneiro de Rezende” Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 3 Sumário 3. EXERCÍCIOS DE RACIOCÍNIO ___________________________________________________________________ 88 4. EXERCÍCIOS DE DESAFIO _______________________________________________________________________ 93 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS __________________________________________________________________ 95 LISTA DE FIGURAS E GRÁFICOS ___________________________________________________________________ 4 APRESENTAÇÃO __________________________________________________________________________________ 5 INTRODUÇÃO ____________________________________________________________________________________ 6 1. CIRCUITOS E DIAGRAMAS ELÉTRICOS __________________________________________________________ 7 Tipos de diagramas 7 Identificação de componentes do diagrama funcional 9 Identificação literal de elementos – Normas VDE 12 Principais Siglas das principais normas nacionais e internacionais 18 Motores elétricos 19 Tipos de Motores Elétricos 20 Ligação de cargas a um sistema monofásico 21 Sistema trifásico de corrente alternada 22 Características de ligações elétricas de sistemas trifásicos 23 Características importantes dos motores elétricos 26 Corrente de partida dos motores de indução 31 Sistema de partida dos motores elétricos 32 Esquemas de fechamento externo de terminais de motores 33 Sistema de partida direta de motores trifásicos 34 Sistema de partida direta com reversão de motores trifásicos 41 Sistema de partida estrela-triângulo de motores trifásicos 45 Sistema de partida com autotransformador (compensadora) de motores trifásicos 52 Comparação entre chaves estrela-triângulo e compensadoras automáticas 60 Comutação polar de motores trifásicos 61 Sistemas de frenagem de motores trifásicos 65 Frenagem de motores trifásicos por contracorrente 66 Frenagem de motores trifásicos por corrente retificada 68 Sistema de localização de contatos 71 Partida consecutiva automática de motores trifásicos 72 Partida com aceleração retórica automática 74 2. EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO _______________________________________________________________________ 78 Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 4 Curso Técnico de Eletrônica Lista de figuras e gráficos Fig. 1.1 - Diagrama multifilar completo ____________________________________________ 7 Fig. 1.2 - Diagrama funcional ____________________________________________________ 8 Fig. 1.3 - Diagrama de disposição ou layout _________________________________________ 9 Fig. 1.4 - Identificação de componentes – letras e números _____________________________ 9 Fig. 1.5 - Identificação de componentes – símbolos gráficos ____________________________ 10 Fig. 1.6 - Identificação de relés e contatores auxiliares ________________________________ 10 Fig. 1.7a -Identificação numérica de funções ________________________________________ 11 Fig. 1.7b -Principais simbologias utilizadas em comandos elétricos ______________________ 18 Fig. 1.8 - Exemplo ilustrativo de motor elétrico _____________________________________ 20 Fig. 1.9 - Ligação de cargas num sistema monofásico – série ___________________________ 22 Fig. 1.10 -Ligação de cargas num sistema monofásico – paralelo ________________________ 22 Fig. 1.11 - Gráfico de sistema trifásico CA __________________________________________ 23 Fig. 1.12 - Ligação triângulo ou �_________________________________________________ 23 Fig. 1.13 - Triângulo das impedâncias, ligação triângulo _______________________________ 24 Fig. 1.14 - Ligação estrela ou Y___________________________________________________ 25 Fig. 1.15 - Triângulo das impedâncias, ligação estrela _________________________________ 25 Fig. 1.16 - Caixa de ligação de bornes de motor trifásico _______________________________ 32 Fig. 1.17 - Esquema de fechamento externo de terminais – 6 terminais ____________________ 33 Fig. 1.18 - Esquema de fechamento externo de terminais – 12 terminais ___________________ 33 Fig. 1.19 - Partida direta de motores - diagrama de força _______________________________ 34 Fig. 1.20 - Partida direta de motores - diagrama de comando parcial ______________________ 35 Fig. 1.21 - Partida direta de motores - diagrama de comando parcial ______________________ 36 Fig. 1.22 - Partida direta de motores - diagrama de comando parcial ______________________ 36 Fig. 1.23 - Partida direta de motores - diagrama de comando parcial ______________________ 38 Fig. 1.24 - Partida direta de motores - diagrama de comando completo ____________________ 38 Fig. 1.25 - Chave de partida direta Siemens - GSP00 e GSP0 - P�15 CV em 440V___________ 39 Fig. 1.26 - Chave de partida direta Siemens - GSP1 e GSP2 - P�20 CV em 440V___________ 39 Fig. 1.27 - Chave de partida direta Siemens – CPD - P�500 CV em 440 V _________________ 40 Fig. 1.28 - Diagrama de comando local e comando à distância Chave Siemens - CPD_________ 40 Fig. 1.29 - Partida direta com reversão de motores - diagrama de força ____________________ 42 Fig. 1.30 - Partida direta com reversão de motores - diagrama de comando _________________ 43 Fig. 1.31 - Painel para partida direta com reversão Siemens – 3TD - P�375 CV em 440 V_____ 45 Graf. 1 - Curvas de conjugado e de corrente de partida de motores em Y/� _______________ 47 Fig. 1.32 - Partida Y/� de motores - diagrama de força ________________________________ 47 Fig. 1.33 - Partida Y/� de motores - diagrama de comando _____________________________ 48 Fig. 1.34 - Painel para partida Y/� Siemens – 3TE - P�375 CV em 440 V__________________ 50 Fig. 1.35 - Diagrama F&C - Painel para partida Y/� Siemens – 3TE - P�375 CV em 440 V____ 51 Graf. 2 - Curvas de tensão partida de motores com chave compensadora _________________ 53 Graf. 3 - Curvas de rotação de um motor de 425 CV, seis pólos, 4160 V _________________ 54 Fig. 1.36 - Partida Y/� de motores - diagrama de força ________________________________ 55 Fig. 1.37 - Partida Y/� de motores - diagrama de comando _____________________________ 56 Fig. 1.38 - Painel para partida chave compensadora Siemens – CAT - P�375 CV em 440 V____ 58 Fig. 1.39 - Diagrama F&C - Painel para chave CAT 1.0Z.0 até 1.Z1.0 e CAT 2.1Z.0 até 14.12.8 59 Fig. 1.40 - Ligações de motor com enrolamento separado, 4/6 pólos, e 1800/1200 rpm _______ 61 Fig. 1.41 - Ligações de motor com ligação dahlander 4/8 pólos, e 1800/900 rpm ____________ 61 Fig. 1.42 - Partida de motor com ligaçãodahlander 4/8 pólos – diagrama de força ___________ 62 Fig. 1.43 - Partida de motor com ligação dahlander 4/8 pólos – diagrama de comando ________ 63 Fig. 1.44 - Frenagem de motores trifásicos por contracorrente – diagrama de força __________ 65 Fig. 1.45 - Frenagem de motores trifásicos por contracorrente – diagrama de comando _______ 66 Fig. 1.46 - Frenagem de motores trifásicos por corrente retificada– diagrama de força ________ 68 Fig. 1.47 - Frenagem de motores trifásicos por corrente retificada– diagrama de comando_____ 68 Fig. 1.48 - Sistema de localização de contatos _______________________________________ 70 Fig. 1.49 - Partida consecutiva automática de motores trifásicos – diagrama de força _________ 71 Fig. 1.50 - Partida consecutiva automática de motores trifásicos – diagrama de comando ______ 72 Graf. 4 - Curvas torque x velocidade de um motor de anéis partindo com reostato __________ 74 Fig. 1.51 – Partida de motor de rotor bobinado, comutação automática - resistores - força _____ 75 Fig. 1.52 - Partida de motor de rotor bobinado, comutação automática - resistores – comando__ 75 Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 5 Apresentação “Muda a forma de trabalhar, agir, sentir, pensar na chamada sociedade do conhecimento.“ Peter Drucker O ingresso na sociedade da informação exige mudanças profundas em todos os perfis profissionais, especialmente naqueles diretamente envolvidos na produção, coleta, disseminação e uso da informação. O SENAI, maior rede privada de educação profissional do país,sabe disso , e ,consciente do seu papel formativo , educa o trabalhador sob a égide do conceito da competência: “formar o profissional com responsabilidade no processo produtivo, com iniciativa na resolução de problemas, com conhecimentos técnicos aprofundados, flexibilidade e criatividade, empreendedorismo e consciência da necessidade de educação continuada.” Vivemos numa sociedade da informação. O conhecimento , na sua área tecnológica, amplia-se e se multiplica a cada dia. Uma constante atualização se faz necessária. Para o SENAI, cuidar do seu acervo bibliográfico, da sua infovia, da conexão de suas escolas à rede mundial de informações – internet - é tão importante quanto zelar pela produção de material didático. Isto porque, nos embates diários,instrutores e alunos, nas diversas oficinas e laboratórios do SENAI, fazem com que as informações, contidas nos materiais didáticos, tomem sentido e se concretizem em múltiplos conhecimentos. O SENAI deseja, por meio dos diversos materiais didáticos, aguçar a sua curiosidade, responder às suas demandas de informações e construir links entre os diversos conhecimentos, tão importantes para sua formação continuada ! Gerência de Educação e Tecnologia Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 6 Curso Técnico de Eletrônica Introdução Os circuitos de acionamento elétrico industrial são compostos de vários dispositivos com funções definidas para proteção, controle, sinalização, conexão, temporização, comutação etc. Os dispositivos são dimensionados de acordo com as características elétricas das cargas que irão acionar, e também sofrem influência das condições ambientais atuantes. Seu bom desempenho depende, ainda, de uma série de fatores, como: procedência de fabricação, tempo de uso e, principalmente de sua correta instalação. O técnico deve estar seguro e ser eficiente ao fazer montagem de circuitos, reparos ou substituição de dispositivos que compõem os circuitos para garantir a eficácia no funcionamento dos mesmos.Sendo assim, é necessário conhecer as principais características destes dispositivos. O objetivo deste trabalho é fornecer informações tecnológicas sobre os principais dispositivos usados nas instalações elétricas dos circuitos elétricos industriais, a fim de que o técnico alcance um desempenho eficiente na interpretação de diagramas, montagem e manutenção de circuitos de comandos elétricos e possa obter dados necessários nos catálogos de fabricantes e/ou nas placas dos dispositivos, de forma objetiva e rápida. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 7 CAP. 1 – Circuitos e diagramas Elétricos Tipos de diagramas Diagrama tradicional ou multifilar completo É como uma fotografia do circuito elétrico, ou seja, representa a forma com que este é implementado. Sua aplicabilidade se torna inviável para circuitos complexos, devido ao grande número de linhas e símbolos a serem utilizados. Fig. 1.1 - Diagrama multifilar completo Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 8 Curso Técnico de Eletrônica Representa os caminhos de corrente, os elementos, suas funções, suas interdependências e seqüência funcional, sendo subdividido em dois outros, a saber: circuito principal e circuito de comando, bastante práticos e de fácil compreensão. Fig. 1.2 - Diagrama funcional Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 9 Diagrama de disposição ou layout Representa, de forma clara e objetiva, o arranjo físico dos dispositivos. A combinação dos diagramas funcional e de layout define, de maneira prática e racional, a melhor forma de elaboração de diagramas para análise, instalação ou manutenção de equipamentos. Identificação dos componentes no diagrama funcional São representados conforme simbologia adotada e identificados por letras e números ou símbolos gráficos. Exemplos: a) Identificação por letras e números. Fig. 1.3 - Diagrama de disposição ou layout Fig. 1.4 - Identificação de componentes – letras e números Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 10 Curso Técnico de Eletrônica b) Identificação por símbolos gráficos. c) Relés e contatos auxiliares. Fig. 1.5 - Identificação de componentes – símbolos gráficos Fig. 1.6 - Identificação de relés e contatores auxiliares Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 11 Observação Nos dispositivos, contatores ou relés, os contatos são identificados por números, que representam: • Ordem ou posição – representada pelo primeiro algarismo, indica entrada ou saída e a posição física em que se encontram nos contatores ou relés. Essa indicação nos diagramas é geralmente acompanhada da indicação do contator correspondente ou dispositivo. • Função – podem ser contatos do tipo abridores NF (normalmente fechado), cujos números utilizados são 1 e 2, ou fechadores NA (normalmente aberto), cujos números utilizados são 3 e 4. A figura 1.7 mostra um exemplo a fim de ilustrar o que foi descrito. Fig. 1.7 - Identificação numérica de funções Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 12 Curso Técnico de Eletrônica Identificação literal de elementos – Normas VDE DenominaçãoAparelho a0 Disjuntor principal. a1, a2,... (a11,a12...) Seccionadora, seccionadora sob carga, chave comutadora. a8 Seccionadora para terra (MT). a9 Seccionadora de cabo (MT). a21...... Disjuntor para comando. b0 (b02......) Botão de comando – desliga. b1 (b12......) Botão de comando – liga. b2 (b22......) Botão de comando - esquerda/direita. b3 Botão de comando – desliga buzina. b4 Botão de comando – quitação. b5 Botão de comando – desliga lâmpadas. b6 Botão de comando – teste lâmpadas (teste sistema de alarme). b11 Chave comutadora para voltímetro. b21 Chave comutadora para amperímetro. b31 Chave fim de curso para carrinho (MT). b32 Tomada para carrinho (MT). b33 Chave fim de curso no cubículo (MT). b91 Chave para aquecimento. c1,c2,c3 Contator principal. d11...(d11, d21, d23...) Contator auxiliar, relé de tempo, relé auxiliar. e1, e2, e3 Fusível principal. e4, e5, e6 Relé bimetálico. e11... Fusível para voltímetro. e21... Fusível para comando. e71... Relé de proteção. e8 Segurança de sobretensão. e91 Fusível para aquecimento. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 13 Denominação Aparelho e92 Termostato para aquecimento. f1(f11...) Transformador potencial. f2(f21...) Transformador de corrente. F25 Transformador de corrente auxiliar. g11...g14 Voltímetro. g15... Freqüencímetro. g16 Voltímetro, duplo. g17 Freqüencímetro, duplo. g18 Sincronoscópio g19 Contador de horas/ indicador de seqüência de fases. g21... Amperímetro. g31 Watímetro. g32 Medidor de potência relativa. g33 Cossifímetro. g34 Contador watt-hora. g35 Contador de potência reativa. h0 (h02...) Armação de sinalização – desliga. h1 (h12...) Armação de sinalização – liga. h2 (h22...) Armação de sinalização – direita/ esquerda. h3 Armação de sinalização – alarme. h31 Buzina. k1... Condensador. m1 Motor, transformador principal. m2 Autotransformador. m31 Transformador de comando. r91... Aquecedor. s1... Travamento eletromagnético. U1... Combinação de aparelhos. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 14 Curso Técnico de Eletrônica Denominação Aparelho R1, S1, T1, N Circuito de comando C.A. P1, N1 Circuito de comando C.C. R11, S11, T11, N11 Circuito de medição, tensão, C.A. R, S, T, N Circuito de medição, corrente, C.A. A, B Fileira de bornes para AT e MT. C, D Fileira de bornes para BT. Indicação literal de elementos Normas UTE – contadores principais e contadores auxiliares. Utilizaremos uma designação por meio das iniciais que caracterizam sua função: • S – sobe. • D – desce. • F – frente. • A – atrás. • L – linha. • T – translação. • B – broca etc. E para outros aparelhos: • RT – relés de proteção térmica. • RI – relés instantâneos. • S1, S2, S3, - selecionadores. • R1, R2, R3, - resistências. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 15 • FU1, FU2, - fusíveis. • B (seguido de uma letra ou de uma letra e de um número significativo) – botões. Exemplo: BM (marcha) Bp1 (parada 1) • Sinalizadores – V1, V2. • Transformadores – Tr. • Retificadores – Rd. • Condensadores – Cd. • Placas de bornes (quando houver várias) – B1, B2. • Bornes (identificação individual) – 1, 2, 3, 4, etc. Siglas das principais normas nacionais e internacionais No projeto, construção e instalação de componentes, dispositivos e equipamentos elétricos, são adotadas normas nacionais e internacionais, cujas principais abreviaturas, significado e natureza são apresentados a seguir. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas – Atua em todas as áreas técnicas do país. Os textos das normas são adotados pelos órgãos governamentais (terminologia), SB (simbologia), EB (método de ensaio) e PB (padronização). Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 16 Curso Técnico de Eletrônica ANSI – American Nacional Standards Institute - Instituto de normas dos Estados Unidos, que publica recomendações e normas em praticamente todas as áreas técnicas. Na área dos dispositivos de comando de baixa tensão, tem adotado freqüentemente, especificações UL e da NEMA. BS – Britsh Standards – Normas técnicas da Grã-Bretanha, já em grande parte adaptadas à IEC. CEE –International Comissiono on Rules of the Approvel of Electrical Equipment – Especificações internacionais, destinadas sobretudo ao material de instalação. CEMA – Canadian Electrical Manufactures Association – Associação canadense dos fabricantes de material elétrico. CSA – Canadian Standards Association – Entidade canadense de normas técnicas, que publica as normas para concessão de certificado de conformidade. DEMKO – Danmarks Elektriske Materiel Kontrol – Autoridade dinamarquesa de controle dos materiais elétricos, que publica normas e concede certificados de conformidade. DIN – Deutsche Industrie Normen – Associação de normas industriais alemãs. Suas publicações são devidamente coordenadas com a VDE. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 17 IEC – International Eletrotechnical Comission – Essa comissão é formada por representantes de todos os países industrializados. Recomendações da IEC, publicadas por esta comissão, são parcialmente adotadas pelos diversos países ou,em outros casos, está se procedendo a uma aproximação ou adaptação das normas nacionais ao texto destas normas internacionais. KEMA – Kenring Van Elektrotechnische Materialen – Associação holandesa de ensaio de materiais elétricos. NEMA – National Electrical Manufactures Association -Associação nacional dos fabricantes de material elétrico (USA). OVE – Osterreichischer Verband fur Elektrotechnik - Associação austríaca de normas técnicas, cujas determinações, geralmente, coincidem com as da IEC e VDE. SEN – Svensk Standar – Associação sueca de normas técnicas. UL – Underwriters Laboratories Inc. – Entidade nacional de ensaio da área de proteção contra incêndio nos Estados Unidos, que, entre outros, realiza os ensaios de equipamentos elétricos e publica as suas prescrições. UTE – Union Tecnique de Électricité – Associação francesa de normas técnicas. VDE – Verband Deustscher Elektrotechniker – Associação de normas alemãs, que publica normas e recomendações da área de eletricidade. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 18 Curso Técnico de Eletrônica Simbologia para diagramas de comandos elétricos e eletrônicos A simbologia é aplicada generalizadamente nos campos industrial, didático e outros onde fatos da natureza elétrica necessitam ser esquematizados graficamente. Tem por objetivo estabelecer símbolos gráficos que devem ser usados para, em desenhos técnicos ou diagramas de comandos eletromecânicos, representar componentes e a relação entre estes. A seguir, serão mostrados símbolos e significados de acordo com as normas ABNT, DIN, ANSI, UTE E IEC. Veja a seguir as principais simbologias utilizadas em comandos elétricos: Fig. 1.7b – Principais simbologias utilizadas em comandos elétricos Circuitos de Comandos e Automação - CCA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 19 MOTORES ELÉTRICOS Sempre que necessário, necessitamos de um equipamento para realizar um determinado trabalho, utilizamos atuadores, que são dispositivos capazes de converter uma forma de energia em outra. Assim, podemos classificar esses atuadores em dois grandes grupos a saber: • Atuadores lineares. • Atuadores rotativos. Atuadores lineares Dispositivos que operam em linha, realizando trabalho com movimentos de ida e de volta. Exemplo: Cilindros pneumáticos e/ou hidráulicos Atuadores rotativos Dispositivos que desenvolvem trabalho atravéz do movimento rotativo de um eixo Exemplo: Motores pneumáticos, hidráulicos, a explosão e elétricos. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 20 Curso Técnico de Eletrônica Embora sejam de total importância todos os tipos de motores citados, centralizaremos nossos estudos nos motores elétricos, que são o objeto principal para o desenvolvimento do conteúdo que estamos tratando. O motor elétrico tem como função a energia elétrica em mecânica.Por ter custo reduzido, devido a sua simplicidade de construção e grande versatilidade de adaptação as cargas dos mais diversos tipos, é o mais usado de todos os tipos de motores. TIPOS DE MOTORES ELÉTRICOS Motores de corrente alternada São os de maior uso, devido ao fato de a energia elétrica ser normalmente distribuída em corrente alternada.Classificam-se em dois grupos principais: • Motor síncrono • Motor de indução Fig. 1.8 - Exemplo ilustrativo de motor elétrico Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 21 Motor síncrono - Funciona com velocidade fixa.Seu uso é limitado a grandes potencias, devido ao seu alto custo em tamanhos menores, ou quando é necessária uma velocidade invariável. Motor de indução - É usado na grande maioria das maquinas e equipamentos encontrados na pratica. É sem duvida o mais utilizado devido a sua simplicidade, robustez e baixo custo.Sua velocidade sofre ligeiras variações em função da variação da carga mecânica aplicada no eixo. Motor de corrente contínua Motor de custo elevado requer alimentação especial, fonte de corrente continua ou dispositivos capaz de converter a corrente alternada em corrente continua.Presta-se a controles de grande flexibilidade e precisão, devido á elevada gama de valores de ajuste e velocidade. O uso deste motor é restrito a casos onde tais exigências compensam o elevado custo da instalação. Ligação de cargas a um sistema monofásico Podemos ligar uma ou mais cargas a um sistema monofásico de duas formas: • Série. • Paralelo. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 22 Curso Técnico de Eletrônica Série: As dois cargas são atravessadas pela corrente total ou máxima do circuito.A tensão em cada carga é igual à metade da tensão aplicada ao circuito, caso as cargas sejam iguais. Paralelo - A corrente em cada carga é igual à metade da corrente total do circuito, considerando-se que as cargas são iguais.A tensão em cada carga é igual á tensão aplicada no circuito. SISTEMA TRIFÁSICO DE CORRENTE ALTERNADA Um sistema trifásico é formado por associação de três sistemas monofásicos, de tensões V1, V2, V3, destacadas entre si, de 120 graus elétricos, assim temos que os atrasos em V1, Fig. 1.9 - Ligação de cargas num sistema monofásico – série Fig. 1.10 - Ligação de cargas num sistema monofásico – paralelo Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 23 em relação a V2, V3 em relação a vazão iguais a 120 graus considerando um ciclo igual a 360 graus. Um sistema trifásico equilibrado é o sistema no qual as três tensões V1, V2, V3, têm o mesmo valor eficaz.Os fatos mencionados são ilustrados figura 1.11 CARACTERÍSTICAS DE LIGAÇÕES ELÉTRICAS DE SISTEMAS TRIFÁSICOS Ligação triângulo ou � Se ligarmos três sistemas monofásicos entre si, conforme na figura abaixo, poderemos eliminar três fios, utilizando apenas um em cada ponto de conexão, ficando o sistema reduzido a três fios R, S, T. Fig. 1.11 - Gráfico de sistema trifásico CA Fig. 1.12 - Ligação triângulo ou � Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 24 Curso Técnico de Eletrônica A tensão entre duas fases quaisquer R, S, T denomina-se a tensão de linha (VL), e a corrente em cada um destes fios, corrente de linha (IL). Analogamente a tensão em cada grupo ou elemento do circuito (Z1, Z2 e Z3), denomina-se tensão de fase (VF) e a corrente em cada um desses elementos, corrente de fase (IF). Na ligação triangulo a tensão de linha é igual à tensão de fase e a corrente de linha é igual à soma (fasorial) das correntes de fase. de dois elementos do circuito. (Fig. 1.13). Exemplo: Um sistema trifásico equilibrado de tensão nominal igual a 220 V, fornece uma corrente de linha a uma carga trifásica composta por três cargas iguais ligadas em triangulo, igual a 100A.Determine os valores da tensão e da corrente em cada uma das cargas. Solução: VL = VF IL = IF.1,732 Fig. 1.13 - Triângulo das impedâncias, ligação triângulo Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 25 VL = VF = 220 V IL = IF=1,732 � IF = IL/1,372 � IF =100A/1,732 � IF = 0,58.100A � IF = 58A Ligação estrela ou Y Se ligarmos um dos fios de cada sistema monofásico a um ponto comum entre os três, os três fios que restam formam um sistema trifásico em estrela. Esse ponto comum às vezes e aterrado originando um quarto fio denominado neutro, formando o sistema trifásico em estrela em 4 fios. As tensões e as correntes são definidas do mesmo modo que na ligação em triangulo. Assim a corrente em cada fio denomina-se corrente de linha, é igual a corrente de cada elemento e a tensão entre dois fios denomina se tensão de linha é igual à soma fatorial das tensões nos elementos ligados a esse fio. Fig. 1.14 - Ligação estrela ou Y VL=1.732.VF IL=IF Assim temos, para cada carga: VF = 220 V e IF = 58A. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 26 Curso Técnico de Eletrônica Os voltímetros V1, V2, V3 medem tensões de fase, enquanto V4 e V5 medem tensão de linha. Os amperímetros h medem corrente de linha que neste caso é igual a corrente de fase. Exemplo: Tem se uma carga trifásica de cargas igual ligada a uma rede trifásica. Sabendo que a V em cada carga é 220 V e a I =8 A determine V e I que alimenta a carga trifásica. E da corrente absorvida. Solução: VL = VF.1,732 � VL = 220V.1,732 � VL = 381,05V IL=IF=8 A. Características importantes dos motores elétricos Fig. 1.15 - Triângulo das impedâncias, ligação estrela Assim a alimentação fornece VL = 381,05V e IL = 8 A. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________Curso Técnico de Eletrônica 27 Denomina-se conjugado (também chamado de torque, movimento ou binário) a medida do esforço necessário para girar um eixo.Esse esforço é igual ao produto da força pela distancia radial do eixo, onde esta é aplicada (raio da polia) expresso por: T=F.A Onde: T – conjugado ou torque em kgfm (quilo grama força metro) F – força aplicada em kgf (quilo grama força) A – raio da polia (em metros) Exemplo: Deseja-se mover uma carga de peso igual a 20 kgf usando um motor elétrico com polia de diâmetro igual a 40 cm. Qual é o torque desenvolvido? Solução: T=F. a � T=20kgf.0,2m � T= 4kgfm Potencia mecânica Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 28 Curso Técnico de Eletrônica A potência exprime a rapidez com a qual a energia ou trabalho é aplicado. É determinado dividindo-se o trabalho realizado pelo tempo gasto para fazê-lo.A propósito o trabalho (w) representa o produto da força aplicada (f) pelo deslocamento(d), assim temos: P=W/t e W=F.d Onde: P - potência mecânica em kgfm/s (quilo-grama-força-metro por segundo) W - trabalho em kgfm (quilo-grama-força-metro) d - distância em m(metros) t - tempo em s (segundo) Exemplo: Um guincho elétrico ergue um peso de 200kgf a uma altura de 15m em 25s. Qual é a potência do motor do guincho? Solução P = W/t � P = F.d/t � P = 200kgf.15m/25s � P = 120kgfm/s A unidade usual de potência mecânica é o CV (cavalo vapor) e vale 75kgfm/s. Assim, a potência do motor anterior, expressa em CV, será: Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 29 P (CV) = 120kgfrm/s / 75kgfm/s � P(CV) = 1,6 CV Potência elétrica Em um sistema monofásico com carga resistiva, a potência representa o produto de tensão da rede pela corrente, dado por: P =V.I Em se tratando de sistema trifásico, com carga resistiva, a potência em cada fase da carga será: PF = VF.IF A potência total do sistema trifásico será igual à soma das potências das três fases, ou seja, P =3PF ou 3.VF.IF. Sabendo-se que, para a ligação triângulo, VL= VF .1,732 e IL=IF, a equação dec potência para qualquer caso será: Esse produto exprime o valor da potência aparente em sistemas trifásicos (Pa). Considerando-se cargas reativas, ou seja, onde existe defasagem (atraso ou adiantamento) da tensão em relação à corrente, esta tem que ser levada em consideração. Isso ocorre com os motores de indução, passando a expressão anterior a valer: Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 30 Curso Técnico de Eletrônica A potência elétrica tem como unidade usual o watt (W), com múltiplos e submúltiplos, dentre os quais citamos o quilo watt (kW), cujo valor é 1000W. Essa unidade é válida somente quando se considera a defasagem, caso contrário teremos o valor da potência aparente expresso, cuja unidade de medida usual é o volt–ampère (VA) ou seu múltiplo, o quilo-volt-ampère (kVA). Rendimento(�) - Representa a eficiência com a qual a energia elétrica absorvida é transformada em energia mecânica disponível no eixo (Pu) e a potência elétrica absorvida da rede (Pe), o rendimento será a relação entre elas , expresso por: � = Pu/Pe ou �% = (Pu/Pe).100 Onde: � - rendimento Pu- potência mecânica útil em W (736.P (CV)) Pe- potência elétrica em W Fator de potência (cos �) - Expressa a relação entre a potência elétrica real ou ativa (Pe) e a potência aparente (Pa). Assim, tem-se: cos �= Pe/Pa Observação: 1 CV = 736W ou 0,736kW. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 31 Fator de serviços (Fs) - É o fator que, aplicado à potência nominal, indica a carga permissível que pode ser aplicada continuamente ao motor, sob condições especificadas. Velocidade nominal - É a velocidade (rpm) do motor funcionando à potência nominal, sob tensão e freqüências nominais. Corrente nominal (A) - É a corrente que o motor funcionando á potência nominal, sob tensão e freqüência nominais. Corrente de partida dos motores de indução A partida dos motores trifásicos de indução deverá, sempre que possível, ser direta, por meio de contatores. Porém, há casos em que a corrente de partida dos motores elevada, tendo as seguintes conseqüências prejudiciais: • Queda de tensão elevada no sistema de alimentação da rede. Isso provoca no sistema de alimentação da rede. Isso provoca perturbações em equipamentos instalados no sistema. • Elevação no custo da instalação, uma vez que o sistema de proteção e controle (cabos, contatores etc.), deverão ser superdimensionados. • Imposição da concessionária de energia elétrica, que limita a queda de tensão da rede. Caso o sistema de partida direta não seja possível, devido às implicações citadas acima, pode-se optar por um sistema de partida indireta, a fim de reduzir a corrente de partida. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 32 Curso Técnico de Eletrônica Em alguns casos, pode-se necessitar ainda de um alto conjugado de partida, com corrente de partida baixa, devendo-se então utilizar um motor de anéis. SISTEMAS DE PARTIDA DE MOTORES ELÉTRICOS 1) Partida Direta É feito o fechamento, na caixa de ligações do motor, compatível com a tensão de alimentação da rede, em estrela ou triângulo. O sistema de proteção (fusível e relé térmico de sobrecarga) é escolhido e ajustado a partir de curvas características já estudadas e dos valores nominais de corrente e tempo de aceleração da carga (curvas de conjugado). A corrente de partida direta dos motores de indução varia de aproximadamente seis a sete vezes o valor da corrente nominal do motor. IP � 6. IN Fig. 1.16 - Caixa de ligação de bornes de motor trifásico Importante: No caso do motor de anéis a corrente diminui e o torque aumenta. Ip alta >> Tp baixo Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 33 Esquema de fechamento externo de terminais dos motores a) Seis terminais b) Doze terminais Fig. 1.17 - Esquema de fechamento externo de terminais – 6 terminais Fig. 1.18 - Esquema de fechamento externo de terminais – 12 terminais Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 34 Curso Técnico de Eletrônica Sistema de partida direta de motores trifásicos A figura 1.19 ilustra o diagrama principal (força ou potência). A seguir serão apresentadas, em seqüência, as etapas a serem seguidas para elaboração do circuito de comando. É importante ressaltar que o processo descrito para elaboração de circuitos simples é também utilizado para circuitos complexos, ficando claro que, uma vez Fig. 1.19 - Partida direta de motores - diagrama de força Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 35 entendida a aplicação de tal processo, torna-se extremamente fácil compreendermosde qualquer circuito de comando. Necessitamos alimentar a bobina do contator c1 a fim de que ela possa acionar os contatos, colocando em funcionamento o motor. Para isso, é importante observar o valor da tensão de alimentação da bobina. Caso seja do mesmo valor da tensão da rede, podemos obter as linhas de alimentação do circuito de comando a partir da própria rede, conforme mostrado a seguir. Em caso de valor diferente da rede, devemos utilizar um transformador para obter o valor de tensão necessário. Acompanhe os fatos. A partir de duas linhas de alimentação, protegidas por fusíveis, fazer as conexões dos terminais da bobina.(fig. 1.20). Podemos observar que, ao energizar a rede trifásica (R, S e T), teremos tensão nas linhas de comando (R e S), e através dos fusíveis de proteção (e21 e e22) será feita a alimentação instantânea da bobina (c1). A fim de que possamos ter controle sobre os atos de ligar e Fig. 1.20 - Partida direta de motores - diagrama de comando parcial Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 36 Curso Técnico de Eletrônica desligar o motor, acrescentaremos ao circuito um botão de comando, com trava ligado em serie com a bobina, desencadeando tais efeitos, como é mostrado na figura 1.21. Podemos utilizar, também, botões de comando sem trava, bastando para isso acrescentar dois elementos, que são, um botão para desligar (b0) e um contato NA do contator, o qual terá a função de selo ou retenção, em paralelo com o botão liga (b1), para obtermos a condição de, ao desacionar o botão liga (b1), a bobina permanecer ligada através do selo (contato na de c1).(fig.1.22). Fig. 1.21 - Partida direta de motores - diagrama de comando parcial Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 37 Descrição funcional Podemos observar que, ao ser energizada a rede trifásica (R, S e T), teremos tensão nas linhas de comando (R e S), e através dos fusíveis de proteção (e21 e e22) será feita a alimentação dos pontos superior do botão de comando desliga (b 0) e inferior da bobina c1 (lado b). Estando b0 no repouso, seu contato está fechado, mantendo energizados os pontos superiores do botão liga (b1), e do contato normalmente aberto de c1 ao ser acionado o botão liga (b1), seu contato se fecha, energizando o ponto superior da bobina c1 (lado a). Então, a bobina c1 fica sujeita á tensão da rede em seus terminais (a e b), acionando seus contatos e fechando-os tanto no circuito de força quanto no de comando. Assim podemos desacionar b, visto que a corrente elétrica, que alimenta a bobina, fluirá através do contato c1, agora fechado. Nessas condições, o motor parte e permanece ligado ate que seja acionado o botão desliga (b0). Quando isso acontece, é interrompido o percurso da corrente, que fluía pelo contato c1, desenergizando a bobina c1 e, em conseqüência disso, Fig. 1.22 - Partida direta de motores - diagrama de comando parcial Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 38 Curso Técnico de Eletrônica interrompendo a alimentação do motor ate a sua paralização. O contato de c1 aberto de b1 desacionado recolocam o circuito na condição de ser dada nova partida. Com a finalidade de proteger o motor contra sobrecargas, inserimos o contato normalmente fechado (NF) do relé térmico de sobrecarga em série com o botão desliga (b0), passando o circuito de comando a ser o ilustrado na figura 1.23. Finalmente, são numerados os contatos e apresentada a conclusão do circuito de comando, que é ilustrada na figura 1.24. Fig. 1.23 - Partida direta de motores - diagrama de comando parcial Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 39 Nas ilustrações a seguir, podemos observar três tipos de chaves de partida direta Siemens, com a indicação de potência máxima a ser acionada e respectivos diagramas e elétricos. GSP00 e GSP0 – Destinam-se ao comando e proteção de motores trifásicos de até 11Kw (15 CV) em 440 V(CA), nas categorias de utilização AC2/AC3, podemos, também, manobrar outras cargas. (fig.1.25). Fig. 1.24 - Partida direta de motores - diagrama de comando completo Fig. 1.25 - Chave de partida direta Siemens - GSP00 e GSP0 - P�15 CV em 440V Macete: 1234 Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 40 Curso Técnico de Eletrônica GSP1 e GSP2 – destinam-se ao comando e proteção de motores trifásicos de até 15kW (20 CV), nas categorias de utilização AC2/AC3, podendo, também, manobrar outras cargas. (fig.1.26). CPD – destinam-se ao comando e proteção de motores trifásicos de até 375Kw (500 CV) em 440 V(CA), nas categorias de utilização AC2/AC3, podendo, também, manobrar outras cargas.(fig.1.27). Fig. 1.26 - Chave de partida direta Siemens - GSP1 e GSP2 - P�20 CV em 440V Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 41 A partir deste ponto, passaremos a analisar outros tipos de diagramas de sistemas de partidas de motor elétrico, sem, no entanto enumerar passos para a confecção do circuito Fig. 1.27 - Chave de partida direta Siemens – CPD - P�500 CV em 440 V Fig. 1.28 - Diagrama de comando local e comando à distância Chave Siemens - CPD Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 42 Curso Técnico de Eletrônica de comando. Devemos ter em mente o seguinte; sempre que quisermos impor ao circuito uma determinada condição de funcionamento, devemos definir inicialmente qual o tipo de efeito que esperamos obter. Assim, caso queiramos que o efeito seja de acionamento, devemos inserir ao circuito, ou aos pontos onde desejamos que isso ocorra, contatos normalmente abertos (NA) ligados em paralelo a esses pontos ou em série, caso pretendamos introduzir uma seqüência de operações. Caso o efeito esperado seja de bloqueio (desligamento), devemos inserir contatos normalmente fechados ligados em série com tais pontos. PARTIDA DIRETA COM REVERSÃO Sabemos que, para um motor trifásico sofrer inversão no seu sentido de giro, devemos inverter duas de suas fases de alimentação. Isso á vezes é necessário para que uma máquina ou equipamento complete o seu ciclo de funcionamento. Podemos citar como exemplos portões de garagem, plataformas elevatórias de automóveis, tornos mecânicos etc. abaixo são sugeridos os diagramas de forças (fig.1.29) e comando (fig.1.30) , bem como sua análise funcional. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 43 Análise funcional Estando energizada a rede trifásica (r,s e t), estaremos energizando o borne 95 do relé térmico de sobrecarga, e os pontos inferiores (lado b) das bobinas c1 e c2, através dos fusíveis e21 e e22. o contato NF (95.96)do relé térmico de sobrecarga ligado em série como contato NF dos botões conjugados (b1e b2). Estes garantemenergizados os contatos na de b1, b2, c1 e c2 de números 3-4 e 13-14, respectivamente. Pelo fato de serem conjugados os botões b1 e b2, ao pressionar um deles é desencadeada a ação de abrir o seu Fig. 1.29 - Partida direta com reversão de motores - diagrama de força Fig. 1.30 - Partida direta com reversão de motores - diagrama de comando Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 44 Curso Técnico de Eletrônica contato NF e em seguida fechar o contato na. Como existe dependência nos dois braços do circuito de tais botões, ao acionar b1, bloqueia-se a bobina c2, através do NF de b1, e pressionando b2, bloqueia-se a bobina c1, através do NF de b2 . a essa dependência denominamos intertravamento elétrico. Os contatos NF (21e22) de c1 e c2 tem função análoga à dos botões (NF de b1 e de b2). Isso é necessário, pois os contatores (c1 e c2) não podem ser ligados simultaneamente sob pena de ocorrer um curto-circuito entre duas fases do sistema, caso isso aconteça. em algumas complicações são usados contatores dotados de uma trava mecânica (pino), que impede a ligação simultânea destes. nesse caso, é denominado intertravamento mecânico. Assim, acionando b1 é energizada a bobina c, através do NF de c2. o contato NF de c1 (21e22) abre, bloqueando a bobina c2, e o na (c1-13,14) faz o selo da bobina c1. no circuito de força, c1fecha os contatos na, alimentando os contatos do motor, fazendo-o partir e permanecer ligado em um determinado sentido de giro. Quando for necessária a mudança no sentido de giro do motor, deve-se acionar b0, desligando a bobina c1. Assim, o contato c1 (13e14) abre, desfazendo o selo da bobina c1 e o contato ÁZ (21,22) fecha, permitindo que a bobina c2 seja ligada. Agora, acionando b2, a bobina c2 é energizada através de contato c1(21,22). O contato c2 (21,22) abre bloqueando a bobina c1, o contato c2 (13, 14) fecha fazendo o selo da bobina c2. No circuito de força, c2 fecha os contatos na, proporcionando a inversão das fases s e t e a mudança no sentido de giro do motor. Caso haja, em algum instante, uma sobrecarga no motor, o rele térmico aciona seu contato NF (95, 96), fazendo-o abrir e desenergizar a bobina que estiver ligada (c1, ou c2). Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 45 Na fig. 1.31 é mostrada, a titulo de ilustração, uma chave de partida direta com reversão semens 3td, que se destina ao comando e proteção de motores trifásicos de até 375kw (500 CV) em 440 V(CA), acoplados a maquinas que partem a vazio ou com a carga, podendo a reversão se dar fora do regime de partida nas categorias de utilização ac2/ac3 ou dentro, na categoria de utilização AC4. Sistema de partida estrela-triângulo de motores trifásicos Condições essenciais: • O motor não pode partir sob carga. Sua partida deve se dar a vazio ou com conjugado resistente baixo e principalmente constante. Fig. 1.31 - Painel para partida direta com reversão Siemens – 3TD - P�375 CV em 440 V Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 46 Curso Técnico de Eletrônica • O motor deve possuir, no mínimo, seis (6) terminais e permitir a ligação em dupla tensão, sendo que a tensão da rede deve coincidir com a tensão do motor ligado em triângulo. • A curva de conjugados do motor deverá ser suficientemente grande para poder garantir a aceleração da máquina de até, aproximadamente, 95% da rotação nominal, com a corrente de partida. Característica fundamental Na partida, ligação estrela, a corrente fica reduzida a aproximadamente 33% do valor da corrente de partida direta, reduzindo-se também o conjugado na mesma proporção. Por esta razão, sempre que for necessária uma partida estrela-triângulo, deverá ser usado um motor com curva de conjugado elevado. O conjugado resistente da carga não pode ser maior que o conjugado de partida do motor, nem a corrente no instante de comutação de estrela para triângulo poderá ser de valor inaceitável. Por essa razão, o instante de comutação deve ser criteriosamente determinado, para que esse sistema de partida seja vantajoso nas situações onde o sistema de partida direita não é possível. Na página seguinte, são ilustradas duas situações de partida estrela-triângulo de motor trifásico. Uma, com alto conjugado resistente de carga (situação A), onde o sistema de partida não se mostra eficaz, pois perceba que o salto da corrente, no instante da comutação (85% da velocidade), é elevado representando cerca de 320% de aumento no seu valor, que era de aproximadamente 190%, isso não é nenhuma vantagem. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 47 Outra, com conjugado resistente de carga bem menor (situação B), onde o sistema se mostra eficiente, pois o salto de corrente, no instante da comutação (95% da velocidade), não é significativo, passando de aproximadamente 50% para 170%, valor praticamente igual ao da partida. Isso é uma vantagem, se considerarmos que o motor absorveria da rede aproximadamente 600% da corrente nominal, caso a partida fosse direta. (Graf. 1). Graf. 1 - Curvas de conjugado e de corrente de partida de motores em Y/� Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 48 Curso Técnico de Eletrônica A seguir são mostrados os diagramas de força (Fig. 1.32) e comando (Fig 1.33) de um sistema de partida estrela-triângulo, bem como sua análise funcional. Análise funcional Estando energizada a rede trifásica (R, S, e T), estaremos energizando o borne 95 do relé térmico de sobrecarga, e os pontos inferiores (lado b) das bobinas C1, C2, C3 e d1 através dos fusíveis e21 e e22. O contato NF (95, 96) do relé térmico de sobrecarga, ligado em série com o contato NF (1, 2) do botão desliga (b0), proporciona a energização dos bornes superiores do botão liga (b1) e dos contatos NA e C1 (13 e 43). Acionando b1, são energizadas as bobinas de C2 e d1, através dos contatos NF de C3 (21, 22) e d1 (15, 16). O relé de tempo (d1) inicia a contagem, tendo como referência o período pré-ajustado, para operar seu contato NF (d1 -15, 16). C2 por sua vez abre o contato NF (21, 22), fechando os contatos NA (13, 14 e 43, 44), cujas respectivas funções são garantir o bloqueio de C3 enquanto o motor estiver em regime de partida (estrela), fazer o selo da bobina C2 e Fig. 1.32 - Partida Y/� de motores - diagrama de força Fig. 1.33 - Partida Y/� de motores - diagrama de comando Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 49 energizar a bobina C1. Sendo a bobina C1 energizada, através do contato NA de C2 (43, 44), são acionados os contatos NF (21, 22) e NF (13, 14 e 43, 44), cujas respectivas funções são impossibilitar o acionamento de C2 após a comutação de estrela para triângulo, a menos que seja acionado o botão desliga (b0), selo da bobina C1, e condição de acionamento para C3 logo após a desenergização de C2 (comutação de estrela para triângulo). No circuito de força, estando energizados C2 e C1, o motor encontra-se em regime de partida (ligação estrela), recebendo em cada grupo de bobina aproximadamente58% da tensão da rede. Com a redução no valor da tensão aplicada, a corrente e o conjugado são também reduzidos à mesma proporção. Decorrido o tempo pré-ajustado em d1, seu contato NF (15, 16) é acionado (abre), sendo desenergizadas as bobinas C2 e d1. C2 abre os contatos NA (13, 14 e 43, 44) e fecha o contato NF (21, 22), oportunidade na qual C3 é energizado, visto que o contato NA de C1 (43, 44) permanece fechado. Uma vez desenergizada a bobina d1, seu contato NF (15, 16) retorna à posição de repouso (fecha); porém, o contato NF de C3 (21, 22) impede o seu religamento bem como o de C2. Caso ocorra uma sobrecarga, tanto na partida quanto em normal, o relé térmico de sobrecarga aciona seu contato NF (95, 96), desenergizando qualquer bobina que esteja ligada (C1, C2 ou d1). Se for necessário desligar o motor em qualquer instante, podemos fazê-lo através do botão desliga (b0). No circuito de força, estando energizados C1 e C3, o motor encontra-se em regime de marcha (triângulo), com os seus grupos de bobina sendo alimentados diretamente pela tensão da rede e os valores de corrente e conjugado próximos do nominal. O ajuste do relé Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 50 Curso Técnico de Eletrônica térmico de sobrecarga é feito a 58% do valor da corrente nominal do motor e do relé de tempo, um valor suficiente para a partida (próximo de 90% da velocidade). Conforme feito anteriormente, é ilustrada na figura 1. 34, a título de exemplo, a chave estrela-triângulo 3TE, SIEMENS, que se destina ao comando e proteção de motores trifásicos de até 375kW (500CV) em 440V (CA), na categoria de utilização AC3, acoplados a máquinas que partem em vazio ou com conjugado resistente baixo e praticamente constante, tais como máquinas – ferramentas clássicas, para madeira e agrícolas. Fig. 1.34 - Painel para partida Y/� Siemens – 3TE - P�375 CV em 440 V Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 51 Fig. 1.35 - Diagrama F&C - Painel para partida Y/� Siemens – 3TE - P�375 CV em 440 V Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 52 Curso Técnico de Eletrônica Sistema de partida com autotransformador (compensadora) de motores trifásicos A chave compensadora pode ser usada para partida de motores sob carga. Com ela, podemos reduzir a corrente de partida, evitando sobrecarga na rede de alimentação, deixando, porém, o motor com um conjugado suficiente para a partida e aceleração. A redução de tensão é conseguida a partir de um autotransformador, que possui normalmente taps de 50%, 65% e 80%. Para os motores que partirem com tensão reduzida, a corrente e o conjugado de partida devem ser multiplicados pelos fatores K1 (fator de multiplicação da corrente) e K2 (fator de multiplicação do conjugado) obtidos no gráfico abaixo. (Graf. 2) Ex em plo : Graf. 2 - Curvas de tensão partida de motores com chave compensadora Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 53 Para 85% da tensão nominal: Ip/In*85% = K1*Ip/In*100% = 0,8*Ip/In*100% C/Cn*85% = K2*C/Cn*100% = 0,64*C/Cn*100% O Gráf. 3 ilustra as características de desempenho de um motor de 425CV, 6 pólos, 4160V, quando parte com 85% da tensão. Graf. 3 - Curvas de rotação de um motor de 425 CV, seis pólos, 4160 V. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 54 Curso Técnico de Eletrônica A seguir, e apresentado e feita uma análise dos circuitos de força (Fig. 1.36) e comando (Fig. 1.37) para partida compensada automática de um motor trifásico. Fig. 1.36 - Partida Y/� de motores - diagrama de força Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 55 Análise funcional Estando energizada a rede trifásica (R, S e T), estaremos energizando o borne 95 do relé térmico de sobrecarga, e os pontos inferiores (lado b) das bobinas C1, C2, C3 e d1 através dos fusíveis e21 e e22. O contato NF (95, 96) do relé térmico de sobrecarga, ligado em série com o contato NF (1,2) do botão desliga (b0), proporciona a energização dos bornes superiores do botão liga (b1) e dos contatos NA de C1, C2 e C3 (13). Acionando b1, são energizadas as bobinas de d1 e C1, através dos contatos NF de C2 (61, 62), d1 (15, 16) e C2 (21, 22). O relé de tempo (d1) inicia a contagem, tendo como referência o período pré- ajustado, para operar seu contato NF (d1-15, 16). C1, por sua vez, abre o contato NF (21, 22), fazendo o bloqueio de C2, e fecha os contatos NA (13, 14 e 43, 44), tendo como respectivas funções selo de C1, d1, e energização de C3. Uma vez ligado C3 fecha seus contatos NA (13, 14 e 43, 44), que têm ambos a função de selo, isto é, manter C3 ligado independentemente da desenergização de C1. Fig. 1.37 - Partida Y/� de motores - diagrama de comando Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 56 Curso Técnico de Eletrônica No circuito de força, com C1 e C3 ligados, o motor encontra-se em regime de partida compensada, com C1 alimentado o autotransformador trifásico, com a tensão da rede, e este fornecendo tensão reduzida ao motor através de seus taps (derivações). Decorrido o tempo pré-ajustado em d1, seu contato reversível (15,16) é acionado (abre), sendo desenergizada a bobina C1 e fecha (15, 18) energizando a bobina C2 através do contato NF de C1 (21, 22). C2 abre os seus contatos NF (21, 22-31, 32-e 61, 62) fazendo, respectivamente, o bloqueio da bobina C1, desligamento da bobina C3 e desligamento da bobina d1, e fecha os contatos NA (13, 14 e 43, 44) que têm a função de selo, ou seja, manter C2 ligado. Perceba que no instante da comutação, o relé de tempo desliga apenas a bobina C1, ficando energizada a bobina C3, mantendo assim o motor sob tensão através dos enrolamentos de cada coluna do autotransformador. Isso faz com que seja reduzido o pico de corrente no instante da comutação (inserção da bobina C2), pois o motor não é desligado. No circuito de força, com C2 ligado, o motor encontra-se em regime de marcha, isto é com os valores de corrente e conjugado nominais. O relé térmico de sobrecarga deverá ser ajustado para o valor da corrente nominal do motor, e o relé de tempo para um valor tal que garanta a aceleração do motor até aproximadamente 80% da velocidade. Mais uma vez, ilustramos o sistema de partida compensada (Fig. 1.38) com uma chave compensadora CAT, Siemens, que se destina ao comando e proteção de motores trifásicos de até 375KW (500CV) em 440V (CA) na categoria de utilização AC3, acoplados a máquinas que partem com aproximadamente metade de sua carga nominal, tais como calandras, compressores, ventiladores bombas e britadores. (Fig 1.38) Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 57 Fig. 1.38 - Painel para partida chave compensadoraSiemens – CAT - P�375 CV em 440 V Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 58 Curso Técnico de Eletrônica Comparação entre chaves estrela-triângulo e compensadoras automáticas Estrela-triângulo automática Vantagens: • É muito utilizada por ter custo reduzido; • Número ilimitado de manobras; • Os componentes ocupam pouco espaço; • Redução da corrente de partida para aproximadamente 33% do valor da corrente de partida direta. Desvantagens: • Só pode ser aplicado a motores com, no mínimo, seis terminais. • A tensão da rede deve coincidir com a tensão do motor em triângulo. • Redução do conjugado de partida para 33%. • Pico de corrente no instante da comutação de estrela para triângulo, que deve acontecer no mínimo a 90% da velocidade, para que não seja alto. Fig. 1.39 - Diagrama F&C - Painel para chave CAT 1.0Z.0 até 1.Z1.0 e CAT 2.1Z.0 até 14.12.8 Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 59 Compensadora automática Vantagens: • O motor parte com tensão reduzida e o instante da comutação, ou seja, segundo pico de corrente, é bem reduzido, visto que o autotransformador, por um curto intervalo de tempo, torna-se uma reatância, fazendo com que o motor não seja desligado. • É possível a variação dos taps do autotransformador, variando o valor da tensão nos terminais do motor, proporcionando assim uma partida satisfatória. Desvantagens: • Número limitado de manobras. O autotransformador é determinado em função da freqüência de manobras; • Custo elevado devido ao autotransformador; • Construção volumosa devido ao tamanho do autotransformador, necessitando quadros maiores, elevando assim o seu custo. Comutação polar de motores trifásicos Existem aplicações em que necessitamos de motores com velocidades diferentes para desenvolver determinados tipos de tarefas. Para essas aplicações podemos utilizar motores diferentes ou, a fim de reduzir o custo da instalação e obter economia de espaço em máquinas, motores únicos; isto é, motores que, dependendo da forma com que são ligados, giram em baixa ou em alta velocidade. Isto pode ser conseguido com os motores que possuem duplo enrolamento, ou com os motores que têm uma característica se fechamento interno diferenciada denominada ligação dahlander. Para o primeiro grupo citado, ou seja, motores com enrolamentos separados, são mostrados abaixo (Fig. 1.40) as características de ligação externa, a título de exemplo, de um motor trifásico, quatro e seis pólos (4/6), de velocidades próximas de 1800/1200 rpm, respectivamente. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 60 Curso Técnico de Eletrônica Para o segundo grupo estão ilustradas, na figura 1.41, as ligações externas de um motor trifásico com ligação dahlander, de quatro e oito pólos (4/8), com velocidades próximas de 1800/900 rpm, respectivamente. Fig. 1.40 - Ligações de motor com enrolamento separado, 4/6 pólos, e 1800/1200 rpm. Fig. 1.41 - Ligações de motor com ligação dahlander 4/8 pólos, e 1800/900 rpm. Observação A diferença básica entre um motor com enrolamento separado e com ligação dahlander é, que, neste último, as polaridades são uma o dobro da outra, tendo como conseqüência velocidades com a mesma relação de dobro. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 61 A seguir são mostrados os diagramas de força (Fig. 1.42) e comando (Fig. 1.43) para comutação polar de motores trifásicos, com ligação dahlander, 4/8 pólos, comandado por botões. Fig. 1.42 - Partida de motor com ligação dahlander 4/8 pólos – diagrama de força Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 62 Curso Técnico de Eletrônica Análise funcional Estando energizada a rede trifásica (R,S e T), estaremos energizando o borne 95 do relé térmico de sobrecarga (e1)e os pontos inferiores (lado b) das bobinas C1, C2 e C3 através dos fusíveis e21 e e22. O contato NF (95, 96) do relé térmico de sobrecarga (e1), ligado em série com o contato NF (95, 96) do relé térmico de sobrecarga (e5) e contato NF (1, 2) do botão desliga (b0), proporciona a energização dos bornes superiores dos contatos NF (1,2) dos botões b1 e b2 e NA (13, 14) dos contatores C1 e C2. Os contatos NA (3, 4) dos botões liga (b1 e b2) são energizados através dos contatos NF (1, 2) de b2 e b1, respectivamente, criando assim um intertravamento elétrico entre esses pontos. Acionando b1, energizamos a bobina C1, através dos contatos NF (21, 22) de C3 e C2, cuja função é impedir o acionamento do motor em baixa rotação quando este estiver girando em alta rotação. Uma Fig. 1.43 - Partida de motor com ligação dahlander 4/8 pólos – diagrama de comando Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 63 vez energizado, C1 abre seu contato NF (21, 22), fazendo o bloqueio dos contatores de alta rotação, função análoga à descrita para os contatos NF de C3 e C2, e fecha o contato NA (13, 14), fazendo o seu selo. No circuito de força, estando C1 energizado, os terminais 1, 2 e 3 do motor recebem alimentação trifásica, através do relé térmico de sobrecarga (e1), e este gira em baixa rotação. Para que ocorra o acionamento do motor em alta rotação é necessário acionar o botão desliga (b0), e, em seguida, o botão liga (b2) Quando isso é feito, C1, é desenergizado, colocando na posição de repouso seus contatos, NA (13, 14) e NF (21, 22). Oportunamente, com b2 acionado, é energizada a bobina C2 através do contato NF de C1 (21, 22). C2 abre seu contato NF (21, 22), bloqueando C1, e fecha seus contatos NA (43, 44) energizando a bobina C3 e (13, 14), fazendo o selo de ambas. C3 energizado, abre o seu contato NF (21, 22) de função análoga à do NF de C2 (21, 22). No circuito de força, C2 fecha em curto os terminais 1, 2 e 3 do motor e C3 alimenta os terminais 4, 5 e 6 com a rede trifásica, através do relé térmico de sobrecarga e5. O motor gira em alta rotação. Sistemas de frenagem de motores trifásicos Em determinadas aplicações, necessitamos da parada instantânea do motor que aciona a máquina ou dispositivo, a fim de garantir precisão do trabalho executado. Podemos citar, como exemplo, o processo de usinagem de uma determinada peça, no qual a ferramenta avança usinando até um determinado ponto, quando então, ao alcançá-lo, deve parar. Num sistema comum de parada do motor, a ferramenta ainda avançaria por um determinado intervalo de tempo, necessário para fazer com que a inércia de movimento do eixo seja Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 64 Curso Técnico de Eletrônica vencida pelo conjugado resistente de carga. Podemos obter a parada instantânea do motor por dois métodos: frenagem por contracorrente e por corrente retificada. No sistema de frenagem por contracorrente, um dispositivo acoplado ao eixo do motor mantém um contato NA, fechado, por ação de força centrífuga, sendo que o momento de sua aberturapode ser ajustado externamente (força que o mantém aberto). No sistema de frenagem por corrente retificada, aplica-se corrente contínua ao estator do motor trifásico obtendo um campo magnético fixo, fazendo com que o rotor (eixo) pare. Ambos os sistemas requerem um circuito de comando que identifique o momento da parada e efetive a alimentação do dispositivo de frenagem. Frenagem de motores trifásicos por contracorrente A seguir e apresentado e feita uma análise dos circuitos de força (Fig. 1.44) e comando (Fig. 1.45) para frenagem de motores trifásicos por contracorrente. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 65 Análise funcional Ao ser energizada a rede trifásica (R, S e T, 0), teremos tensão nas linhas de comando (R e S), e através dos fusíveis de proteção (e21 e e22), será feita a alimentação do ponto superior do botão de comando desliga (b0) e do contato NA de C2 (13, 14), através do contato NF (95, 96) do relé térmico de sobrecarga, e inferior (lado b) das bobinas C1 e C2. Estando b0 no repouso, seu contato NF (1, 2) está fechado e o NA (3, 4) aberto, mantendo energizados os pontos superiores do botão liga (b1) e do contato normalmente aberto de C1 (13, 14). Ao Fig. 1.45 - Frenagem de motores trifásicos por contracorrente – diagrama de comando Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 66 Curso Técnico de Eletrônica acionarmos o botão liga (b1) seu contato se fecha, energizando o ponto superior da bobina C1 (lado a) através do contato NF de C2 (21, 22). C1 abre seu contato NF (21, 22) bloqueando C2 e fecha seu NA (13, 14) fazendo seu selo. Nessas condições, o motor parte e permanece ligado, fazendo com que o dispositivo de frenagem (e3) feche seu contato NA (3, 4) por ação da força centrífuga. Quando acionamos o botão desliga (b0), provocando a parada do motor, é interrompido o percurso da corrente, que fluía pelo contado NA de C1 (13, 14), desenergizado a bobina (C1) e energizando o contato NA de e3 (3, 4), com a abertura do contato NF (1, 2) e fechamento do contato NA (3, 4) de b0, respectivamente. Uma vez desligado, C1 fecha seu contato NF 921, 22), permitindo assim a energização da bobina C2. O contato NF de C2 (21,22) abre, bloqueando C1, e o contato NA de C2 (13, 14) fecha, fazendo o seu selo. Como C2 inverte o sentido de rotação do motor, a velocidade deste tende a diminuir drasticamente nesse instante. Com a diminuição da velocidade o dispositivo de frenagem e3 abre seu contato NA (3, 4), desligando C2 e fazendo com que o motor permaneça parado. O uso desse sistema de frenagem é limitado pela potência do motor, visto que, no alto da frenagem, é solicitada uma corrente muito alta da rede. Frenagem de motores trifásicos por corrente retificada A seguir é feita a apresentação e análise dos circuitos de força (Fig. 1.46) e comando (Fig. 1.47) para frenagem de motores trifásicos por corrente retificada. Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 67 Fig. 1.46 - Frenagem de motores trifásicos por corrente retificada – diagrama de força Fig. 1.47 - Frenagem de motores trifásicos por corrente retificada – diagrama de comando Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 68 Curso Técnico de Eletrônica Análise funcional Ao ser energizada a rede trifásica (R, S, T), teremos tensão nas linhas de comando (R e S), e através dos fusíveis de proteção (e21 e e22), será feita a alimentação do ponto superior do botão de comando desliga (b0), contato NF (1, 2) e NA (3, 4), através do contato NF (95, 95) do relé térmico de sobrecarga, e inferior (lado b) das bobinas C1 C2 C3 C4, e bornes dos sinaleiros V1, V2, e V3. Estando b0 no repouso, seu contato NF (1, 2) fechado e o NA (3, 4) aberto, mantendo energizado os pontos superiores do botão liga (b1), do botão liga (b2), dos comandos NA de C1 (13, 14) e de C2 (13, 14), através dos contatos NF de C3 (21, 22) e C4 (21, 22). Ao ser acionado o botão liga, seu contato NF (1, 2) abre, bloqueando C2 e o sinaleiro V2 e o NA fecha, energizando C1 e o sinaleiro V1, através do contato NF de C2 (21,22). Ao ser energizado, C1 abre seu contato NF (21,22), cuja função é manter o bloqueio de C2 e V2 e fecha seu contato NA (13,14), fazendo seu selo. No circuito de força, energizando C1, o motor assume a condição de partida direta e permanece ligado com sentido de giro determinado, por exemplo, sentido horário. Quando for necessário desligar o motor, deverá ser acionado o botão desliga. Ao ser acionado, b0 abre seu contato NF (1,2) desligando C1 e V1, e fecha seu contato NA (3,4) energizando as bobinas C3 C4 e o sinaleiro V3. Sendo desenergizado, C1 volta à posição de repouso, mantendo aberto seu contato NA (13,14) e fechando seu contato NF (21,22). No circuito de força, sendo energizados C3 e C4, alimenta-se o transformador (Tr), cuja função é fornecer tensão reduzida para a ponte retificadora (Rd), que converte essa tensão de entrada alternada em contínua, conectando-a aos terminais do motor através do fusível Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 69 e3, respectivamente. Assim, ao receber corrente contínua no estator, o rotor é desacelerado e o motor para imediatamente. Acionando-se o botão liga (b2) C2 e energizado, invertendo o sentido de giro do motor. A frenagem ocorre da mesma forma descrita anteriormente, ou seja, aciona-se b0 desligado o motor e energizando o sistema de freio. Sistema de localização de contatos A fim de facilitar a localização dos contatos nos diagramas de comando elétrico, podem ser inseridas tabelas de localização abaixo das bobinas dos contadores, que indicam a linha ou coluna onde o contato NA ou NF se encontra. Poderemos entender isso mais facilmente com o exemplo da figura 1.48. Fig. 1.48 - Sistema de localização de contatos Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 70 Curso Técnico de Eletrônica Podemos perceber pelo exemplo que, ao ser energizada a bobina C1, serão desencadeadas ações de abertura e fechamento de contatos vistas na tabela abaixo nas linhas 3 e 7 e fecha seus contatos NA nas linhas 2 e 5. Partida consecutiva automática de motores trifásicos A seguir e feita a apresentação e a análise dos circuitos de força (Fig. 1.49) e comando (Fig. 1.50) para partida consecutiva de motores trifásicos. Fig. 1.49 - Partida consecutiva automática de motores trifásicos – diagrama de força Circuitos de Comandos e Automação - CCA _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Curso Técnico de Eletrônica 71 Análise simplificada do funcionamento Os fusíveis (e21 e e22) energizam as linhas de comando. O lado (b) das bobinas d1, C1, d2, C2 e C3 já se encontram energizados pelo fusível e22. Acionando o botão liga (b1) energiza- se d1 e C1 através dos contatos NF de e4, e5, e6, e b0, ligados em série. O contator C1 fecha um contato na linha 3, fazendo seu selo, e outro na linha 4, dando condição
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